Utvecklingsmöjligheter för
fjärrvärmens affärsmodell
Genom användning av byggnader som värmelager
Tim Sirén
Examensarbete LIU-IEI-TEK-A--14/01837—SE
Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling
Utvecklingsmöjligheter för
fjärrvärmens affärsmodell
Genom användning av byggnader som värmelager
Development opportunities for the
district heating business model
Through the use of buildings as heat storage
Tim Sirén
Handledare vid LiU: Sandra Backlund
Examinator vid LiU: Shahnaz Amiri
Handledare på Capital Cooling Energy Service AB: Anders Rubenhag
Examensarbete LIU-IEI-TEK-A--14/01837—SE
Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling
Energisystem
I
Sammanfattning
Ett vanligt problem för fjärrvärmeföretag är svängningar i den dagliga efterfrågan på fjärrvärme. När efterfrågetoppar sker i fjärrvärmenätet behöver fjärrvärmeföretagen oftast använda sina topplastpannor, vilka vanligtvis drivs på både dyra och miljöovänliga bränslen. Ett sätt att åtgärda detta problem har traditionellt varit att använda en ackumulatortank som värmelager. Men med ny och billigare mät- och styrsystemteknik har kommersiella lösningar börjat växa fram där istället byggnader kan användas som värmelager.
Syftet med examensarbetet är att undersöka de tekniska och ekonomiska möjligheterna för att använda byggnader som värmelager i ett fjärrvärmesystem och jämföra det med att använda en ackumulatortank som värmelager. Det förs en diskussion om hur ett samarbete skulle kunna se ut mellan fjärrvärmeföretag och fastighetsägare för att möjliggöra användningen av byggnader som värmelager. I examensarbetet genomförs en litteraturstudie och intervjuer för att både beskriva hur byggnader kan användas som värmelager och att beskriva intressenterna och deras relation. Det utförs även en fallstudie på Hudiksvalls fjärrvärmenät. I fallstudien används produktionsdata från Hudiksvalls fjärrvärmeproduktion och en analys utförs med hjälp av MATLAB och Microsoft Excel. I analysen besvaras frågan om hur stora kostnadsbesparingar och intäktsökningar som skulle kunna uppnås ifall Hudiksvalls fjärrvärmenät fick tillgång till värmelager i olika storlekar. Utifrån dessa kostnadsbesparingar och intäktsökningar görs en investeringsanalys. I investeringsanalysen jämförs de två alternativen för värmelager, det vill säga att använda byggnader som värmelager eller en ackumulatortank som värmelager. Utifrån de teoretiska studierna och fallstudien på Hudiksvalls fjärrvärmenät kan följande slutsatser dras:
• En investering i att använda byggnader som värmelager har en högre avkastning per investerad krona och kortare återbetalningstid än en investering i att använda en ackumulatortank. Skillnaderna är som störst vid små värmelager och minskar vid större storlek på värmelager. Detta beror på att den initiala investeringskostnaden för att använda byggnader som värmelager är lägre än den initiala investeringskostnaden för att använda en ackumulatortank som värmelager. • En investering i att använda byggnader som värmelager har ett högre nettonuvärde vid små
värmelagerstorlekar än en investering i att använda en ackumulatortank som värmelager. Men vid större storlekar på värmelagret ger en investeringen i en ackumulatortank ett högre nettonuvärde. • Byggnader kan användas som värmelager utan att varken inomhuskomforten försämras nämnvärt
eller att energiförbrukningen höjs beaktansvärt. Energiförbrukningen kan till och med sänkas ifall ett nytt värmestyrsystem installeras i en byggnad som ersätter ett äldre mindre effektivt värme-styrsystem.
• Både pengar och tid kan sparas ifall det redan finns en god relation mellan fjärrvärmeföretag och fastighetsägare, när byggnader ska användas som värmelager.
Det mest fördelaktiga valet mellan att investera i byggnader som värmelager eller en ackumulatortank som värmelager skiftar alltså från fall till fall och inget av alternativen är alltid det bästa. För att ta ställning till vilken teknik som ska användas som värmelager behöver en analys göras för varje enskild situation.
II
Abstract
A common problem for district heating companies is fluctuations in the daily demand for district heating. When peak demand occurs in the district heating network the district heating companies usually needs to use their peak load boilers, which are operated on both expensive and not sustainable fuels. One way to overcome this problem has traditionally been to use a storage tank as heat storage. But with new and cheaper measurements and control system technology has commercial solutions begun to emerge in which buildings can be used instead as heat storage.
The aim of the thesis is to investigate the technical and economic feasibility of buildings as heat storage in a district heating system and compares it with the use of a storage tank as heat storage. There has also been a discussion of how collaboration might look like between the district heating company and the property owners to permit the use of buildings as heat storage. A literature review and interviews are conducted in the thesis in order to both describe how buildings can be used as heat storage and describe the stakeholders and their relationship. A case study is also carried out at Hudiksvall’s district heating network. The case study use production data from Hudiksvall’s district heating production and an analysis is carried out using MATLAB and Microsoft Excel. The analysis answers the question of how large cost savings and revenue increases that could be achieved if the district heating network had access to heat storage on various scales. Based on the cost savings and revenue increases, an investment analysis is carried out. In the investment analysis the two options, buildings as heat storage and storage tank as heat storage, are compared. Based on the theoretical studies and the case study at Hudiksvall’s district heating network it can be concluded that:
• An investment to use buildings as heat storage has a higher return per dollar invested and a shorter payback time than an investment to use a storage tank as a heat store. The differences are greatest for small size heat storages and approaching each other for large size heat storages. This is due to the lower initial investment cost when using buildings as heat storage compared to when using storage tanks as heat storage.
• An investment to use buildings as heat storage has a higher net present value for small heat storages compared to an investment to use a storage tank as heat storage. But for larger heat storage sizes an investment in storage tanks has a higher net present value.
• Buildings can be used as heat storage without a significant decrease in indoor comfort or a noteworthy increase in energy consumption. The energy consumption can even be reduced if a new heating control system is installed in a building to replace an older less efficient heat control system.
• Both money and time can be saved if there is already a good relationship between the district heating companies and the property owners, when the buildings should be used as heat storage. The best option for choosing between using buildings or a storage tank as heat storage depends on the situation and none of the options are always best. In order to decide which technology should be used as heat storage an analysis is required for each individual case.
III
Förord
Examensarbetet har skrivits på avdelningen för energisystem vid Linköpings tekniska högskola under hösten 2013. Examensarbetet är det sista momentet som genomförs inför examen på civilingenjörsprogrammet maskinteknik med inriktning energisystem och miljöteknik.
Jag skulle först och främst vilja tacka min handledare Anders Rubenhag på Capital Cooling Energy Service AB för hans guidning och råd under arbetes gång. Ett extra tack till alla anställda på Capital Cooling Energy Service AB som har tagit sig tid att hjälpa mig när jag varit i behov av det samt för ett trevligt sällskap.
Tack till min handledare Sandra Backlund på Linköpings tekniska högskola som varit ett viktigt bollplank och hjälpt mig att strukturera upp arbetsmetodiken och skrivprocessen.
Ett stort tack till Bernt Larsson, Per Persson och Krister Svedin på Värmevärden AB i Hudiksvall som delat med sig av kunskap, produktionsdata, kunddata och bränslepriser. Utan denna information hade en analys inte kunnat utföras. Tack även till Lars Lindgren på FVB Sverige AB som hjälp till med kostnadsinformation om ackumulatortankar. Ett extra tack till Johan Kensby, doktorand på Chalmers universitet, som låtit mig använda hans egenskrivna iterativoptimeringsprogram för fjärrvärmeproduktion med värmelagring.
Ett stort tack till Christian Johansson, CTO på NODA Intelligent systems AB samt doktorand vid Blekinge tekniska högskola, för information om hur NODAs system fungerar samt diskussioner om möjliga affärsmöjligheter för att använda byggnader som värmelager.
Ytterligare ett tack går till min kära familj som alltid finns där för mig och framför allt mina syskon Aretino, Martin och Victoria. Ni är de bästa syskonen som finns.
Det sista och största tacket går till min sambo Victoria Gilstring för att du hjälper mig att hålla balans i livet samt att du även ibland åsidosätter dina egna intressen för mitt bästa.
Uppsala, 4 maj 2014
IV
Innehållsförteckning
Sammanfattning
I
Abstract
II
Förord
III
1 Inledning
1
1.1Bakgrund ... 1
1.2
Syfte ... 1
1.3
Metod och frågeställningar ... 1
1.4
Avgränsningar ... 3
2 Fjärrvärme
4
2.1Vad är fjärrvärme och hur används den? ... 4
2.2
Varierande efterfrågan ... 4
2.2.1
Varierande säsongsefterfrågan ... 4
2.2.2
Varierande daglig efterfrågan ... 5
2.3
Fördelar med värmelagring ... 6
3 Byggnader som värmelager
7
3.1Teoretisk genomgång av byggnadens termodynamik ... 7
3.1.1
Värmelagring och tidskonstant ... 7
3.1.2
Värmebalans och effektsignatur ... 8
3.2
Inomhuskomfort när byggnader används som värmelager ... 10
3.2.1
Vad är inomhusklimat? ... 10
3.2.2
Hur människor påverkas av inomhustemperaturen ... 10
3.2.3
Hur människor påverkas av temperatursvängningar ... 11
3.2.4
Hur människor påverkas av psykologiska faktorer ... 11
3.3
Tekniska möjligheter att använda byggnader som värmelager ... 11
3.3.1
Fjärrvärmecentral med traditionell styrning ... 11
3.3.2
Fjärrvärmecentral med modifierad styrning ... 12
3.3.3
Energibesparing när ett nytt värmestyrsystem installeras ... 13
3.3.4
Nya energitjänster när nytt värmestyrsystem installeras ... 14
3.4
Operativt använda byggnader som värmelager ... 14
3.4.1
Teknik för systemstyrning ... 15
3.4.2
Operativ skillnad mellan värmelagring i byggnad och i ackumulatortank ... 16
3.5
Vilka byggnader är lämpade att använda som värmelager? ... 16
4 Intressenterna och deras intressen
17
4.1Vilka är intressenterna? ... 17
4.2
Vilka är intressenternas intressen? ... 18
V
5 Fallstudieanalys
20
5.1
Beskrivning av Hudiksvalls fjärrvärmenät ... 20
5.1.1
Allmän information ... 20
5.1.2
Ekonomisk data ... 20
5.1.3
Byggnaderna i fjärrvärmenätet ... 20
5.1.4
Produktionsanläggningar och bränslen ... 22
5.2
Produktionsanalys ... 23
5.2.1
Matlab-delen av produktionsanalysen ... 25
5.2.2
Excel-delen av produktionsanalysen ... 30
5.3
Ekonomisk analys av produktionsanalysen ... 32
5.4
Investeringskalkylering ... 32
5.4.1
Metoder ... 32
5.4.2
Värmelagerstorlekar och antal byggnader ... 33
5.4.3
Investerings- och underhållskostnader ... 34
5.4.4
Antaganden i investeringsanalysen ... 38
5.4.5
Jämförelse i stordriftsfördelar i investeringskostnaden ... 39
5.5
Relativa vinstförändringen för fjärrvärmeföretaget ... 40
5.6
Förändring i energiförbrukning i byggnader ... 41
6 Resultat
42
6.1Hudiksvalls fjärrvärmeproduktion ... 42
6.1.1
Produktionsförändring ... 42
6.1.2
Möjliga kostnadsbesparingar och intäktsökningar ... 45
6.1.3
Icke beräknade vinster för Hudiksvalls fjärrvärmeproduktion ... 46
6.2
Investeringskalkylering ... 46
6.2.1
Payback-metoden ... 46
6.2.2
Nuvärdesmetoden ... 47
6.2.3
Annuitetsmetoden ... 50
6.3
Den relativa vinstförändringen för fjärrvärmeföretaget ... 52
6.4
Förändring av energiförbrukning i byggnader ... 53
7 Diskussion
54
7.1Byggnader eller ackumulatortank som värmelager? ... 54
7.2
Ej medtagna parametrar ... 54
7.3
Affärsmässiga möjligheter ... 55
8 Slutsatser
57
Referenser
58
VI
Figurförteckning
Figur 2.1 – Årsöversikt för Hudiksvalls produktion 2010 ... 5
Figur 2.2 – Ibland behövs topplastpannor sättas på för att möta efterfrågan ... 5
Figur 3.1 – Inomhustemperaturförändringen i en byggnad (Selinder & Zinko, 2003) ... 8
Figur 3.2 – Effektsignatur för ett bostadshus i Hudiksvall ... 9
Figur 3.3 – Principskiss för ett parallellkopplad fjärrvärmecentral (Svensk Fjärrvärme, 2009) ... 12
Figur 3.4 – Schematiskt bild på möjlig energibesparing en dag när solen värmer upp byggnaden ... 14
Figur 3.5 – Schematisk bild av hur direkt styrning kan fungera (Johansson, 2010) ... 15
Figur 4.1 – Fjärrvärmens intressenter (Rydén et al., 2013) ... 17
Figur 4.2 – Beskrivning av intressenternas relation ... 17
Figur 4.3 – Förtroendetrappa beskriver legitimitetsbyggande i fyra steg (Rydén, et al., 2013) ... 19
Figur 5.1 – Procentuell uppdelning av kunder i olika kategorier ... 21
Figur 5.2 – Procent av total såld fjärrvärme ... 21
Figur 5.3 – De tre produktionsanläggningarna i Hudiksvall ... 22
Figur 5.4 – Schematisk bild som förklarar hur produktionsanalysen är uppbyggd ... 24
Figur 5.5 – Effektsignatur för Hudiksvalls fjärrvärmeproduktion 2010 ... 26
Figur 5.6 – Laddnings och urladdnings effektbegränsande faktorer för värmelagring i byggnader ... 27
Figur 5.7 – Originaldata från Hudiksvalls fjärrvärmeproduktion ... 29
Figur 5.8 – Hur fjärrvärmeproduktionen skulle kunna se i januari 2010 ... 29
Figur 5.9 – Verklig produktionsdata för Hudiksvalls fjärrvärmeproduktion från januari 2010 ... 31
Figur 5.10 – Fjärrvärmeproduktionen beskrivet med hjälp av produktionsmodellen ... 31
Figur 5.11 – Linjär approximation av vad en ackumulatortank kostar ... 37
Figur 5.12 – Stordriftsfördelar för ackumulatortank som värmelager ... 40
Figur 6.1 – Förändring i producerad energi för de olika pannorna ... 43
Figur 6.2 - Förändring i producerad energi angivet i procent för de olika pannorna ... 43
Figur 6.3 – Förändring av fjärrvärmeproduktion i oljepannan ... 44
Figur 6.4 – Förändring av fjärrvärmeproduktion i fastbränslepannan ... 44
Figur 6.5 – Möjlig bränslekostnadsreducering ... 45
Figur 6.6 – Möjliga kostnadsbesparingar och intäktsökningar ... 45
Figur 6.7 – Återbetalningstider då byggnader eller ackumulatortank används som värmelager ... 47
Figur 6.8 – Jämförelse av nettonuvärdena ... 49
Figur 6.9 – Jämförelse av nettonuvärdeskvoterna ... 49
Figur 6.10 – Jämförelse av annuiteterna ... 51
Figur 6.11 – Jämförelse av annuitetskvoterna ... 51
VII
Tabellförteckning
Tabell 2.1 – Vad efterfrågan på fjärrvärme beror på ... 4
Tabell 3.1 – Exempel på olika värden på tidskonstanten (Persson & Vogel, 2011) ... 7
Tabell 3.2 – Temperaturförändring utan försämrad komfort (Technical university of Denmark, 2009) ... 11
Tabell 4.1 – Översikt på intressenternas intressen ... 18
Tabell 5.1 – Vinstmarginaler i fjärrvärmebranschen (Energimarknadsinspektionen, 2013) ... 20
Tabell 5.2 – Översikt på de olika pannorna år 2010 ... 23
Tabell 5.3 – Översikt på el-genereringen år 2010 ... 23
Tabell 5.4 – De olika storlekarna på värmelager som analyseras i examensarbetet ... 27
Tabell 5.5 – Jämförelse mellan verklig produktion och produktion med produktionsmodell ... 31
Tabell 5.6 – Effektsignaturer och energilagringskapacitet ... 33
Tabell 5.7 – Antalet bostäder som behöver användas för värmelager ... 34
Tabell 5.8 – Investerings- och underhållskostnader för användning av byggnader som värmelager ... 35
Tabell 5.9 – Överblick av investerings- och underhållskostnader för Hudiksvallsfallet ... 35
Tabell 5.10 – Uträkning av de ackumulerade underhållningskostnaderna ... 36
Tabell 5.11 – Uträkning av underhållningskostnadernas relativa storlek ... 36
Tabell 5.12 – Översikt för ackumulatortanktankar med ekvivalent värmelagringskapacitet ... 38
Tabell 5.13 – Total investeringskostnad för ackumulatortankar med ekvivalent värmelagringskapacitet .... 38
Tabell 5.14 – Investeringskostnad per kilowattimme ... 39
Tabell 5.15 – Procentuell del av kostnaden då värmelagret har en storlek på 10 % ... 40
Tabell 6.1 – Återbetalningstider när olika antal byggnader används som värmelager ... 46
Tabell 6.2 – Återbetalningstider för olika storlekar på en ackumulatortank ... 47
Tabell 6.3 – Resultat för nuvärdesmetodanalys på byggnader som värmelager ... 48
Tabell 6.4 – Resultat för nuvärdesmetodanalysen på ackumulatortankar som värmelager ... 48
Tabell 6.5 – Resultat för annuitetsmetodanalys på byggnader som värmelager ... 50
Tabell 6.6 – Resultat för annuitetsmetodanalys på ackumulatortankar som värmelager ... 50
Tabell 6.7 – Förändring i rörelseresultat då byggnader används som värmelager ... 52
Tabell 6.8 – Förändring i rörelseresultat då en ackumulatortank används som värmelager ... 52
Tabell 6.9 – Förändring i energiförbrukning i byggnader ... 53
VIII
Ekvationsförteckning
Ekvation 3.1 - Värmelagring ... 7Ekvation 3.2 - Tidskonstanten ... 7
Ekvation 3.3 - Tidskonstanten ... 8
Ekvation 3.4 - Tidskonstanten ... 8
Ekvation 3.5 – Värmebalans ... 9
Ekvation 3.6 – Effektsignatur för en specifik byggnad ... 9
Ekvation 5.1 – Effektsignaturen för Hudiksvalls fjärrvärmeproduktion ... 26
Ekvation 5.2 – Effektbegränsning ... 27
Ekvation 5.3 – Energibegränsning ... 27
Ekvation 5.4 – Linjär approximation för en hetvattenackumulatortank ... 36
Ekvation 5.5 – Från MWh till Joule ... 37
Ekvation 5.6 – Från Joule till m3 ... 37
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Sedan det första kommunala fjärrvärmesystemet byggdes i Karlstad 1948 har fjärrvärmen vuxit och är idag en viktig del i det svenska energisystemet. Under fjärrvärmens resa på drygt 60 år har fjärrvärmen utvecklats tekniskt, miljömässigt och marknadsmässigt. Tekniskt och miljömässigt har till exempel fjärrvärmen gått från en fossilbaserad produktion till en biobränsle- och avfallsbaserad produktion. Ett problem som dock fortfarande finns kvar i många fjärrvärmenät är de dagliga effektvariationerna i produktionen, vilka leder till att topplastpannor behöver sättas igång och de drivs ofta på bränslen som både är kostsamma ur ett ekonomiskt perspektiv och dåliga ur ett miljöperspektiv. Marknadsmässigt har fjärrvärmen gått från en mer reglerad marknad till en mindre reglerad och hur framtidens fjärrvärmemarknad ska se ut är en aktuell fråga idag. Dagens fjärrvärmeföretag ställs även inför nya utmaningar som inte fanns förr och det är framför allt på marknadssidan. Det handlar om nya krav från kunder som bland annat önskar mer inflytande och dialog i fjärrvärmeaffären för att de ska få en större möjlighet att påverka sina fjärrvärmekostnader. Andra utmaningar handlar om större konkurrens på värmemarknaden, framför allt från mer effektiva värmepumpar, vilket pressar ner priset på uppvärmning av byggnader och leder till att fjärrvärmebolagen behöver bli mer effektiva och finna nya lösningar för att försvara sin marknadsposition. Tekniska framsteg inom mät- och reglerteknik har gjort det möjligt för nya idéer att växa fram och testas. Ny teknik kombinerat med en ny attityd mot fjärrvärmens kunder kan göra det möjligt att utveckla dagens fjärrvärmeaffär mot att bli mer konkurrenskraftigt på en marknad i förändring.
1.2 Syfte
Syftet med examensarbetet är att undersöka de tekniska och ekonomiska möjligheterna att använda byggnader som värmelager i ett fjärrvärmesystem och jämföra det med att använda en ackumulatortank som värmelager. Det kommer även föras en diskussion om hur ett samarbete skulle kunna se ut mellan fjärrvärmeföretag och fastighetsägare för att möjliggöra användningen av byggnader som värmelager.
1.3 Metod och frågeställningar
För att svara på syftet har tre frågeställningar formulerats. Nedanför finns en beskrivning av varje frågeställning och vilken metodik som används för att besvara varje frågeställning.
Hur kan byggnader användas som värmelager och vilken teknik finns för att åstadkomma det?
För att besvara denna fråga behöver ett antal delfrågor besvaras. Den första delfrågan handlar om hur mycket energi som fysiskt kan lagras i en byggnad och med vilken effekt som byggnaden kan lagra upp eller tömma ur denna energi med. Den frågan besvaras genom en enklare teoretisk genomgång av byggnadens termodynamik där information hämtas från relevanta rapporter. Den andra delfrågan handlar om vilka begränsningar som finns för energilagrings- och effektkapaciteten i en byggnad beroende på hur människorna som vistas i lokalen reagerar på ett förändrat inomhusklimat. Hur människor uppfattar och reagerar på inomhusklimatet kommer att undersökas genom en analys av tidigare forskning och rapporter inom ämnet samt regelverk och rekommendationer som Socialstyrelsen och Boverket bestämt. Den sista delfrågan handlar om vilken existerande teknik som finns tillgänglig för att kunna använda byggnader som värmelager. Detta kommer att besvaras genom en litteraturstudie om existerande teknik samt genom en intervju och mailkontakt med en av utvecklarna till ett av systemen.
2
Vilka vinster kan ett fjärrvärmeföretag göra ifall de får tillgång till denna värmelagringskapacitet?
Denna fråga besvaras med hjälp av en fallstudie. Fjärrvärmenätet som utsågs att studeras valdes ut enligt nedanstående kriterier.
Fjärrvärmeföretaget har möjlighet att ge ut produktionsdata för sin anläggning.
Att få tillgång till data är en förutsättning för analysen. MATLAB-programmet som används för analysen är skrivet för att ta in timvärden, timme för timme. Datamaterialet bör vara därefter, eller möjligt att konvertera till det formatet.
Fjärrvärmesystemet har en liten eller ingen ackumulatortank
Ifall ett fjärrvärmesystem redan har en relativt stor ackumulatortank finns det ett mindre behov av ytterligare värmelagringskapacitet och det blir svårare att analysera vinsterna med ett värmelager.
Produktionen består av flera typer av bränsle med olika priser
Ifall produktionen endast består av en typ av bränsle blir fördelarna med ett värmelager mindre och svårare att analysera än ifall den består av flera typer av bränsle med olika priser.
Produktionen är inte komplex och det finns tydliga övergångar mellan varje bränsle
Det är enklare att analysera ett mindre komplext system än ett komplext vilket leder till att slutsatser kan dras tydligare och diskussionen kan underlättas.
Möjlighet för studiebesök på anläggningen
För att få en djupare förståelse om produktionen och hur data kan analyseras på bästa sätt är det önskvärt ifall det finns möjlighet till ett studiebesök.
Hudiksvalls fjärrvärmenät uppfyllde alla dessa kriterier och passade därför bra att utföra analysen på. Varför just fallstudie valts som forskningsmetod beror av flera anledningar. Det som utmärker en fallstudie är att fokus läggs på en eller ett fåtal objekt som studeras istället för att studera ett brett spektrum. När mer tid och koncentration ägnas åt ett objekt finns det möjlighet att studera det objektet djupare. Det kan leda till kunskaper som annars inte skulle kommit till kännedom ifall flera objekt skulle studeras på en mer grundläggande nivå. Målet är alltså att hitta det generella genom att undersöka det specifika (Denscombe, 2003). Ytterligare en fördel med fallstudier är att det finns möjlighet att förklara varför ett visst resultat erhålls istället för att endast fokusera på vilket resultat som erhålls (Denscombe, 2003). Det är viktigt i detta examensarbete eftersom att det inte bara ska förklara ifall det är ekonomiskt lönsamt att använda byggnader som värmelager utan även varför. Detta synliggör vilka möjligheter och vilka utmaningar som finns för att använda byggnader som värmelager. Enligt Denscombe (2003) är även en fallstudie bra att använda när det finns många olika relationer och processer i samspel eftersom den går tillräckligt djupt för att kunna synliggöra och förklara hur dessa relationer och processer är sammankopplade. Detta passar bra för detta examensarbete eftersom det i ett fjärrvärmesystem finns många olika relationer och processer. Fallstudier har även nackdelar och här kommer en beskrivning av tre av dem. Den första nackdelen med en fallstudie är trovärdigheten i generaliseringarna som dras efter att ett eller några få fall studerats (Denscombe, 2003). För att besvara denna fråga är det viktigt att tänka på hur representativ det studerade fjärrvärmenätet är. Generaliseringarna som kan dras av denna fallstudie gäller för fjärrvärmenät som har följande karakteristik:
• Fjärrvärmeproduktionen består av flera olika typer av bränslen som har olika priser. Detta är vanligt hos fjärrvärmeföretag eftersom det är på ett sådant sätt ett energisystem byggs upp. • Fjärrvärmenätet har ingen eller en relativt liten ackumulatortank.
• Efterfrågemönstret hos kunderna är likt det studerade fallet, det vill säga en vanlig stad med en årlig efterfråga på cirka 150 GWh.
• Flerfamiljshusen och byggnaderna med lokaler kopplade till fjärrvärmenätet har en liknande effektsignatur som de flerfamiljshus och byggnader med lokaler som finns i Hudiksvall.
3
Den andra nackdelen är att det kan vara svårt att definiera fallets avgränsningar vilket kan bli ett problem när beslut ska tas om till exempel vilken data som ska användas eller utelämnas (Denscombe, 2003). Den tredje nackdelen är att det kan vara svårt för en granskare att ta del av de dokument, intervjuer och andra datainsamlingsmetoder som fallstudien grundar sig på vilket gör att det är svårare att kontrollera de resultat och slutsatser som examensarbetet kommit fram till (Denscombe, 2003).
Fallstudien analyseras med hjälp av produktionsdata från Hudiksvalls fjärrvärmenät. I datan finns information om hur stora effekter varje panna har genererat år 2010, timme för timme. Det är även givet vilken utomhustemperatur det var timme för timme år 2010. Analysen av datan genomförs i datorprogrammen MATLAB och Microsoft Excel. En noggrannare beskrivning om hur analysen genomförts finns i avsnitt 5.2. Ett studiebesök har även gjorts på produktionsanläggningen Djuped i Hudiksvall samt en intervju med en driftingenjör samt e-postkonversationer med ett antal anställda.
Hur skulle en affärsmodell se ut mellan fjärrvärmeleverantör och fastighetsägare när byggnader används som värmelager?
I föregående frågeställning besvarades frågan vad fjärrvärmeföretaget tjänade på att använda byggnader som värmelager. I denna del behöver värdet för fastighetsägaren och de människor som vistas i lokalen identifieras. Denna fråga besvaras genom diskussion med Christian Johansson på NODA intelligent systems AB (NODA) som har kommersiell erfarenhet av dessa frågor samt medarbetare på Capital cooling energy systems AB som har erfarenhet av affärsfrågor när det gäller fjärrvärme.
1.4 Avgränsningar
Avgränsningarna i examensarbetet redogörs löpande i texten, men det är några avgränsningar som är av extra betydelse:
• Den teknik som analysen grundar sig på består mestadels av ett system från NODA Intelligent Systems AB. Detta begränsar generaliseringen av examensarbetet eftersom NODAs system har en egenutvecklad teknik och deras affärsmodell går ut på att snarare sälja en tjänst än en produkt. Läs mer om tekniken i avsnitt 3.4.1 och mer om hur affärsmodellen fungerar i avsnitt 5.4.3.1. • Som beskrivs i avsnitt 1.3 bygger examensarbetet på en fallstudie på fjärrvärmenätet i Hudiksvall.
Analysen görs på produktionen som just Hudiksvall har samt analysen av byggnader som värmelager är på de byggnader som är kopplade till Hudiksvalls fjärrvärmenät.
• Examensarbetet analyserar värmelager som har en energilagringskapacitet mellan 8,7−69,0 MWh och en effektkapacitet att ladda eller ladda ur värmelagret på 1,0−7,7 MW. Detta motsvarar mellan 10−80 % av den totala effekt- och energilagringskapacitet som finns att tillgå i byggnaderna i Hudiksvalls fjärrvärmenät.
• Datan som analysen är baserad på är data från år 2010 vilket var ett normalår när det gäller temperaturen1.
• Examensarbetet koncentrerar sig på de tre intressenterna: fjärrvärmeföretag, fastighetsägare och människor som befinner sig i byggnaderna. Den största vikten läggs vid de två förstnämnda. • Ifall ett bättre värmestyrsystem installeras i en byggnad kan energiförbrukningen minska.
Minskningen i energiförbrukning leder till intäktsförluster för fjärrvärmebolaget eftersom de säljer mindre värme till dessa kunder. Denna intäktsförlust har inte tagits med i beräkningarna i detta examensarbete.
4
2 Fjärrvärme
2.1 Vad är fjärrvärme och hur används den?
Fjärrvärme kan förenklat beskrivas som ett energisystem som producerar värme i en central anläggning och via isolerade rör distribuerar den värmen till sina kunder. Fjärrvärme kan delas in i tre system: produktion, distribution och konsumtion. Examensarbetet kommer att beröra områdena produktion och konsumtion. Värmen som efterfrågas används huvudsakligen till två olika tjänster: uppvärmning av byggnaden samt uppvärmning av tappvarmvattnet. Efterfrågan på dessa två tjänster beror på både sociala och fysiska faktorer. De sociala faktorerna är något som vi människor kan påverka medan de fysiska faktorerna är något som vi inte kan påverka. I Tabell 2.1 syns de viktigaste exemplen på sociala och fysiska faktorer (Gadd, 2012).
Tabell 2.1 – Vad efterfrågan på fjärrvärme beror på
Sociala behov Fysiska behov
Uppvärmning av byggnaden – Inomhustemperatur – Ventilation
– Utomhustemperatur – Väder (t.ex. solinstrålning) – Byggnadsegenskaper
Uppvärmning av tappvarmvatten – Duschvatten – Kranvatten – Temperatur på kallvattnet
2.2 Varierande efterfrågan
Variationerna i effektefterfrågan kan kategoriseras i två huvudgrupper: daglig variation och säsongvariation. Enligt Gadd (2012) har en del undersökningar gjorts för att eliminera variationerna i säsongsefterfrågningar men hittills har inget ekonomisk försvarbar teknik hittats. Dagliga effektvariationer kan till viss del elimineras med hjälp av värmelagring. En kort genomgång av både varierande säsongsefterfrågan och varierande daglig efterfrågan görs i avsnitt 2.2.1 och avsnitt 2.2.2 men det är de dagliga variationerna som examensarbetet koncentrerar sig på. I sin enkelhet används ett värmelager så att vid tider av låg efterfrågan lagras värme i värmelagret för att sedan tas ut när efterfrågan på värme är hög. Det leder till att fjärrvärme kan produceras jämnare och det leder till en rad fördelar som tas upp i kapitel 2.3.
2.2.1 Varierande säsongsefterfrågan
Efterfrågeförändringen beroende på säsong beror främst på en förändring i de fysiska faktorerna och då i synnerhet utomhustemperaturen (Frederiksen & Werner, 2013). En lägre utomhustemperatur kräver en högre effekt för att byggnader ska kunna behålla en konstant inomhustemperatur. En logisk följd blir då att efterfrågan kommer att vara som högst när det är som kallast och som lägst när det är som varmast. I Figur 2.1 redovisas detta genom att visa hur produktionen varierar under ett år timme för timme för Hudiksvall 2010. Den första timmen är den första januari 2010 och den sista timmen är den sista december 2010. I figuren finns det fyra förkortningar och nedan följer en kort förklaring av dem (mer information om produktionen och om pannorna finns i avsnitt 5.1.4):
Fastb.: Är baspannan för Hudiksvalls fjärrvärmeproduktion och är en biobränsleeldad fastbränslepanna. RKG: Är den rökgaskondensatorn som är kopplad till fastbränslepannan.
Tallbeck: Är en topplastpanna som bränner tallbeck. Olja: Är de tre topplastpannorna som bränner olja.
5
Figur 2.1 – Årsöversikt för Hudiksvalls produktion 2010
2.2.2 Varierande daglig efterfrågan
De dagliga variationerna i effektefterfrågan beror främst på sociala faktorer, som efterfrågan på tappvarmvatten samt om byggnader stängt av sina värmesystem under natten och sätter igång dem igen på morgonen (Gadd, 2012). Variationer i en daglig efterfrågan kan ses i Figur 2.2 där den totala efterfrågan svänger under dagen och topplastpannan ”Tallbeck” behöver sättas på under förmiddagen för att möta fjärrvärmeefterfrågan.
Figur 2.2 – Ibland behövs topplastpannor sättas på för att möta efterfrågan
0 10 20 30 40 50 60 1 259 517 775 1033 1291 1549 1807 2065 2323 2581 2839 3097 3355 3613 3871 4129 4387 4645 4903 5161 5419 5677 5935 6193 6451 6709 6967 7225 7483 7741 7999 8257 8515 Ef fekt (MW) Timmar
Årsöversikt för Hudiksvalls fjärrvärmeproduktion 2010
Fastb. RGK Tallbeck Olja
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Utomhustemperatur (°C) Ef fekt (MW) Tid på dygnet
Fjärrvärmeproduktion 12 januari 2010
6
2.3 Fördelar med värmelagring
Det finns en rad fördelar med att kunna använda ett värmelager i ett fjärrvärmesystem för att minska de dagliga effektvariationerna. Enligt Johansson (2010) är de två huvudorsakerna för att använda värmelagring i ett fjärrvärmesystem följande:
• Möjlighet att sänka topplatserna, denna last använder ofta dyrt och miljöovänligt bränsle, till exempel olja eller gas.
• Möjlighet att flytta last, som används för att i kraftvärmeverk dra nytta av att kunna generera el då elpriserna är höga.
Enligt Gadd (2012) finns det ytterligare fördelar med att kunna använda ett värmelager. Det skulle även förbättra systemet på följande punkter:
• Mindre behov av topplastpannor, vilket skulle minska kapitalbindningen i fjärrvärmesystemet. • Mindre användning av elektricitet för att pumpa runt vattnet i fjärrvärmenätet.
• Ökad användning av industriell spillvärme.
• Lättare att optimera produktionen vilket leder till högre verkningsgrad. • Mindre behov av underhåll eftersom hela anläggningen körs mer jämt. • Ökning av utnyttjningstiden för baslasten.
7
3 Byggnader som värmelager
3.1 Teoretisk genomgång av byggnadens termodynamik
3.1.1 Värmelagring och tidskonstant
Allt som har en massa kan användas för värmelagring och hur mycket värme som kan lagras kan räknas ut med hjälp av Ekvation 3.1.
𝑄 = 𝑚 ∗ 𝑐 ∗ ∆𝑇 Ekvation 3.1 - Värmelagring
där:
Q = lagrad energi [J]
m = massan som används för värmelagring [kg] c = specifik värmekapacitet [J/kgK]
ΔT = temperaturdifferensen innan och efter [°C]
En byggnad är inte ett homogent objekt utan är uppbyggt av olika material och olika mycket av dessa. De olika materialen har även olika värmekapacitetsegenskaper. Vilka material och hur mycket av dessa som används ligger till grund för hur mycket värmeenergi som kan lagras i en byggnad. En annan faktor att ta hänsyn till är hur fort en byggnad förlorar sin värme till omgivningen, alltså värmeeffektförlusten, och det beror på hur byggnaden är konstruerad. Bägge dessa egenskaper, energilagringskapacitet och värmeffektförlusten, är viktiga att ta hänsyn till eftersom det är svårt att använda en byggnad som ett värmelager ifall innetemperaturen sjunker till icke komfortabel nivå snabbt. Ett bra mått för att beskriva ifall en byggnad lämpar sig bra för värmelagring eller inte är den så kallade tidskonstanten, τ. Tidskonstanten (τ) är kvoten mellan byggnadens värmekapacitet ( 𝑚!∗ 𝑐!) och effektförlusterna (Qtot).
Den beskriver byggnadens värmetröghet, d.v.s. hur fort temperaturen i en byggnad ändrar sig. Enligt Persson och Vogel (2011) beräknas tidskonstanten med hjälp av Ekvation 3.2.
𝜏 = 𝑚!∗ 𝑐!
𝑄!"! Ekvation 3.2 - Tidskonstanten
Täljaren beskriver byggnadens värmekapacitet och där syns att ifall en byggnad har en större massa kommer dess tidskonstant att vara högre – allt annat lika. Nämnaren beskriver effektförlusterna i byggnaden och dessa beror på transmissionsförlusterna för byggnaden samt frivilliga och ofrivilliga ventilationsförluster. Det leder till att ju lägre effektförluster desto större tidskonstant för byggnaden – allt annat lika. Olika byggnader har olika tidskonstanter och i Tabell 3.1 (Persson & Vogel, 2011) ges exempel på hur stora dessa tidskonstanter kan vara för olika byggnader.
Tabell 3.1 – Exempel på olika värden på tidskonstanten (Persson & Vogel, 2011)
Konstruktion Tidskonstanten (timmar)
Äldre lätt byggnad 24
Äldre tung byggnad 80
Modern lätt byggnad med krypgrund 80 Modern halvlätt byggnad med platta på mark 150 Halvtung byggnad med bjälklag av betong 300
8
Ytterligare ett sätt att se på tidskonstanten kan göras med hjälp av Ekvation 3.3 (Selinder & Zinko, 2003). 𝑇!"# 𝑡 − 𝑇!"#
𝑇!"#,!− 𝑇!"# = 𝑒
!!! Ekvation 3.3 - Tidskonstanten
Ekvation 3.3 beskriver hur inomhustemperaturen förändras som en funktion av tiden givet inomhusstarttemperaturen, utomhustemperaturen samt tidskonstanten. I Figur 3.1 visas sambandet grafiskt för en byggnad med tidskonstanten, τ=100, där värmen stängs av vid tiden, t=0. Anta att en byggnads värmetillförsel slås av vid tiden noll och temperaturen i byggnaden börjar sjunka. När tiden, t, blivit lika stor som tidskonstanten, alltså 𝑡 = 𝜏, får högerledet värdet enligt Ekvation 3.4.
𝑒!!!= 𝑒!!! = 𝑒!!=1
𝑒≈ 0,37 Ekvation 3.4 - Tidskonstanten Alltså har temperaturdifferensen mellan rum och uteluft då sjunkit till 37 % av ursprungstemperaturdifferensen. Ett annat sätt att uttrycka det på är att tidskonstanten är den tid det tar för en 63 % temperaturförändring från ursprungsläget till utomhustemperaturen.
Figur 3.1 – Inomhustemperaturförändringen i en byggnad (Selinder & Zinko, 2003)
3.1.2 Värmebalans och effektsignatur
Byggnader förlorar olika mycket värmeeffekt beroende på vilken utomhustemperatur det är. Ju kallare det är ute desto större temperaturskillnad blir det mellan byggnadens temperatur och utomhustemperaturen vilket leder till att en större värmeeffekt överförs från byggnaden till dess omgivning (Frederiksen & Werner, 2013). Förlusterna består dels av värmeöverföring genom tak, väggar och fönster samt av värmeförlust på grund av ventilation då varm inomhusluft byts ut mot kall utomhusluft. Det finns även en
9
ökning av värmeförlusterna ifall det blåser ute eftersom det dels då uppstår påtvingad konvektion på byggnadsskalet, dels kan öka byggnadens ventilation. Denna effekt är dock relativt liten (Frederiksen & Werner, 2013). En byggnad kan även värmas upp av dess omgivning, så kallad gratisenergi. Gratis energi kan till exempel vara inre värmekällor (elektroniska apparater eller människor) eller solinstrålning. Sambandet som beskriver en byggnads värmebehov kallas för värmebalans och beskrivs på ett övergripande sätt med hjälp av Ekvation 3.5 (Frederiksen & Werner, 2013).
𝑉ä𝑟𝑚𝑒𝑏𝑒ℎ𝑜𝑣 = (𝑣ä𝑟𝑚𝑒ö𝑣𝑒𝑟𝑓ö𝑟𝑖𝑛𝑔𝑠𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 + 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡) ∗ (𝑇!"#$!!"− 𝑇!"#$!!") + ö𝑘𝑎𝑑𝑒 𝑓ö𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡𝑒𝑟 𝑝. 𝑔. 𝑎. 𝑣𝑖𝑛𝑑 − 𝑖𝑛𝑟𝑒𝑣ä𝑟𝑚𝑒𝑘ä𝑙𝑙𝑜𝑟 − 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑠𝑡å𝑙𝑛𝑖𝑛𝑔 Ekvation 3.5 – Värmebalans
Sambandet som beskriver en byggnads effektbehov kallas effektsignatur. Effektsignaturen fås genom att grafiskt plotta byggnadens effektbehov mot utomhustemperaturen. Därefter görs en trendlinje som beskriver sambandet mellan effektbehov och utomhustemperatur. För byggnaden som visas i Figur 3.2 är effektsignaturen enligt Ekvation 3.6. Där Esignatur står för bostadshusets effektefterfråga vid en viss
utomhustemperatur, x. 𝐸!"#$%&'(= −0,00299𝑥 ∗ 0,05089 𝑀𝑊 Ekvation 3.6 – Effektsignatur för en specifik byggnad
Figur 3.2 – Effektsignatur för ett bostadshus i Hudiksvall
Ekvation 3.6 säger att ifall utomhustemperaturen sänks en grad kommer effektbehovet för denna byggnad att öka med 0,00299 MW=2,99 KW. Något som behövs tas i beaktande när effektsignaturer räknas ut är den så kallade tröskeltemperaturen. Det är den utomhustemperatur då byggnaden inte längre behöver värmas upp eftersom de inre värmekällorna och solinstrålningen är tillräcklig för att behålla ett behagligt inomhusklimat. Den typiska tröskeltemperaturen i Europa ligger mellan 100C och 150C (Frederiksen &
Werner, 2013). Effektsignaturen bör räknas ut för temperaturer under tröskeltemperaturen eftersom när
y = -0,00299x + 0,05089 0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Ef fekt (MW) Utomhustemperatur (0C)
Typkund - bostadshus - 2010
10
utomhustemperaturen är högre än tröskeltemperaturen är byggnadens värmeefterfrågan mestadels tappvarmvatten och den användningen är oberoende av utomhustemperaturen. Att användningen är oberoende av utomhustemperatur när tröskeltemperaturen är nådd kan ses i Figur 3.2 där effektefterfrågan är någorlunda horisontell mellan 15−300C.
3.2 Inomhuskomfort när byggnader används som värmelager
En viktig faktor att undersöka när byggnader ska användas som värmelager är hur det påverkar inomhusklimatet och vilka krav på inomhuskomfort som människorna som vistas i byggnaderna har. De två frågorna är viktiga att undersöka både för att få acceptans för att använda byggnader som värmelager samt att veta hur mycket värmeenergi som kan lagras i byggnaderna. Som syns i Ekvation 3.1 är värmelagringskapaciteten beroende av temperaturdifferensen. Det kan alltså lagras mer värme i en byggnad ifall inomhustemperaturen får variera mellan 18−240C än ifall den får variera mellan 20−220C.
Vilka krav på inomhuskomfort som är lagstadgat samt de krav människor generellt har diskuteras vidare i kapitel 3.2.1 och 3.2.2.
3.2.1 Vad är inomhusklimat?
Enligt Nilsson (2000) upplever en människa inomhusklimatet dels på hur den fysiska miljön är och dels på faktorer kopplade till individen. De fysiska faktorerna är termiskt klimat, luftkvalitet, ljud, ljus och el-miljö. De faktorer som är kopplade till individen är fysiologiska faktorer, psykologiska faktorer, sociala faktorer och genetiska faktorer. Examensarbetet kommer att koncentrera sig på det termiska klimatet i byggnaderna samt till en viss utsträckning även de psykologiska faktorerna.
Inomhusklimatet styrs av grundläggande krav från myndigheter, som Socialstyrelsen och Boverket, samt av önskemål från de människor som använder byggnaden (Nilsson, 2000). I Boverkets byggregler bestäms vilka temperaturer som en byggnad ska kunna uppnå medan Socialstyrelsen ger råd om vilka temperaturer som det bör vara inomhus. Enligt Boverket ska en byggnad klara av att upprätthålla en temperatur på minst 180C i bostads- och arbetsrum och 200C i hygienrum och vårdlokaler samt i rum för barn i förskolor
och för äldre i servicehus och dylikt (Boverket, 2011). Enligt Socialstyrelsens allmänna råd rekommenderar de en operativ inomhustemperatur på 20−230C (Socialstyrelsen, 2005a). Operativ temperatur är
medelvärdet av lufttemperaturen och medelstrålningstemperaturen från omgivande ytor.
3.2.2 Hur människor påverkas av inomhustemperaturen
Varje människa är unik och upplever den termiska komforten i ett rum olika, det kan bero på till exempel personens ämnesomsättning, krav på välbefinnande eller känslighet (Nilsson, 2000). I undersökningar där stora grupper studerats visar det sig att det alltid är minst fem procent av personerna som är missnöjda med inomhusklimatet oavsett hur inomhusklimatet är (Socialstyrelsen, 2005b). Det finns även två olika standarder när det gäller inomhusklimat. Den ena är den internationella standarden ISO 7730 och den andra är den amerikanska standarden ASHRAE - Standard 55. Ifall inomhustemperaturen skiljer sig ±10C
från den mest optimala inomhustemperaturen leder det till att sex procent av människorna som vistas i ett rum är missnöjda med inomhusklimatet (ISO, 2005). Det kan ställas i relation till att det alltid är minst fem procent som är missnöjda vilket leder till att endast en procentenhet fler människor är missnöjda ifall temperaturintervallet ligger på ±10C än ifall det är konstant på samma nivå. Möjligheten att
inomhustemperaturen kan svänga något utan att inomhusklimatet försämras påtagligt kommer vara viktigt i kapitel 3.3 när de tekniska möjligheterna diskuteras.
11
3.2.3 Hur människor påverkas av temperatursvängningar
Enligt ISO (2005) leder en temperaturförändring långsammare än två grader per timme inte till någon förändring i den upplevda termiska komforten. Det överensstämmer väl med ASHRAE Standard 55-2004 som har gjort en utförligare tabell angående denna temperaturförändring vilket kan ses i Tabell 3.2 (Technical university of Denmark, 2009).
Tabell 3.2 – Temperaturförändring utan försämrad komfort (Technical university of Denmark, 2009)
Tidsperiod 0,25 h 0,5 h 1 h 2 h 4 h
Maximal tillåten förändring i
operativ temperatur 1,10C 1,70C 2,20C 2,80C 3,30C
3.2.4 Hur människor påverkas av psykologiska faktorer
Psykologiska faktorer kommer inte att studeras på djupet i examensarbetet men det är av intresse att påpeka att sådana faktorer kan spela roll. Till exempel så påverkas även det upplevda inomhusklimatet negativt ifall människor har en känsla av maktlöshet när det gäller deras möjlighet att kunna påverka inomhustemperaturen. Den känslan kan tas bort genom att det till exempel finns möjlighet att vädra eller styra inomhustemperaturen (Socialstyrelsen, 2005b).
3.3 Tekniska
möjligheter
att
använda
byggnader
som
värmelager
3.3.1 Fjärrvärmecentral med traditionell styrning
Det är i fjärrvärmecentralerna som värme överförs från fjärrvärmenätet till byggnadens eget värmesystem. Den vanligast förekommande kopplingen på fjärrvärmecentraler är den så kallade parallellkopplingen som visas schematiskt i Figur 3.3 finns det två separata värmeväxlare, en för byggnadens tappvarmvatten (den vänstra) och en för byggnadens radiatorkrets (den högra). Radiatorkretsen är av mer intresse för examensarbetet och fokus kommer därför att läggas på den. Byggnadens radiatorkrets är ett eget slutet vattensystem där vattnet värms upp i fjärrvärmecentralen, kyls ner då det transporteras runt och värmer upp byggnaden för att slutligen komma tillbaka till fjärrvärmecentralen där vattnet värms upp igen. Överföringen av värme från fjärrvärmesidan till radiatorkretsen sker i en värmeväxlare där de båda systemen är avskilda från varandra eftersom de har olika tryck och temperaturnivåer (Svensk Fjärrvärme, 2004).
Hur mycket värme som överförs från fjärrvärmesidan till radiatorsidan styrs av en reglerutrustning som förändrar fjärrvärmeflödet genom värmeväxlaren. Den signal som styr fjärrvärmeflödet är den önskade framledningstemperaturen i radiatorkretsen, alltså den temperatur som man önskar att vattnet ska ha i radiatorkretsen strax efter att den lämnat värmeväxlaren. Ifall framledningstemperaturen är lägre än det önskade värdet ökas fjärrvärmeflödet in i värmeväxlaren och ifall framledningstemperaturen är högre än det önskade värdet minskas fjärrvärmeflödet in i värmeväxlaren. Framledningstemperaturen i radiatorkretsen i ett traditionellt styrsystem ändras beroende på utomhustemperaturen. Ju kallare det är ute desto högre effekt kyls byggnaden ner med och för att uppnå samma inomhustemperatur när utomhus-temperaturen sjunker behöver den tillförda värmeeffekten bli högre. Det sker ifall temperaturskillnaden mellan radiatorerna i byggnaden och inomhustemperaturen är högre, vilket det blir ifall framledningstemperaturen till radiatorerna är högre. Den faktiska framledningstemperaturen bestäms av den så kallade reglerkurvan som väljs efter utomhustemperatur, byggnadsegenskaper och önskad inomhustemperatur (Svensk Fjärrvärme, 2004). Traditionellt regleras även inomhustemperaturen av termostaterna som sitter på radiatorerna inne i byggnaden. Ifall inomhustemperaturen blir för hög stryper termostaten flödet igenom radiatorn och minskar därmet uppvärmningen.
12
Figur 3.3 – Principskiss för ett parallellkopplad fjärrvärmecentral (Svensk Fjärrvärme, 2009)
3.3.2 Fjärrvärmecentral med modifierad styrning
Teknik att använda byggnader som värmelager har bland annat utvecklats av NODA Intelligens Systems AB (Myrendal & Olgemar, 2010). Det är NODAs teknik som examensarbetet huvudsakligen kommer att koncentrera sig på. NODAs system bygger på att utomhustemperaturen, som är reglersignal för fjärrvärmecentralen, manipuleras. Ifall utomhustemperatursensorn modifieras nedåt tror systemet att det är kallare än vad det egentligen är utomhus. Det leder till ett ökat flöde på fjärrvärmesidan i värmeväxlaren vilket ökar värmeöverföringen mellan fjärrvärmesidan och radiatorsidan och ger resultatet att radiatorkretsen får en högre framledningstemperatur. Den högre framledningstemperaturen i radiatorkretsen leder till att byggnaden tillförs en högre värmeeffekt än vad som skulle skett utan att utomhustemperatursensorn modifierats. Den högre värmeeffekten som nu tillförs laddar byggnaden med värmeenergi. När överskottet av värmeenergi önskas användas modefieras utomhustemperatursensorn uppåt istället. Konsekvensen blir då ett minskat flöde på fjärrvärmesidan i värmeväxlaren vilket ger resultatet att radiatorkretsen får en lägre framledningstemperatur än vad den egentligen skulle haft och byggnaden kyls då ner. På det här sättet kan byggnaden styra sin effekt- och energiefterfrågan. NODAs system beräknar vilken energibuffert huset har genom att använda sig av information baserat på byggnadens utformning, tidskonstant och tidigare effektstyrningar samt information från sensorer som mäter temperaturen på radiatorkretsens framlednings- och returledningstemperatur (Myrendal & Olgemar, 2010). En invändning för detta system kan vara att det inte går att använda en byggnad som värmelager ifall byggnaden värms upp av radiatorer som är utrustade med termostater. Men enligt Johansson1 har de i
sina installationer inte behövt göra någonting med termostaterna på radiatorerna eftersom det krävs i normala fall en temperaturförändring på 1,2−2°C innan termostaterna reagerar. NODAs styrsystem påverkar inomhustemperaturer mindre än detta, vilket leder till att termostaterna inte stryper ventilerna till radiatorerna fast inomhustemperaturen höjs något.
13
3.3.3 Energibesparing när ett nytt värmestyrsystem installeras
Förutom NODAs system finns det även andra befintliga tekniker som använder byggnadens värmetröghet för att jämna ut effektefterfrågan (Persson & Vogel, 2011). Förutom att kunna styra effektefterfrågan till byggnaden finns det ytterligare en fördel med att använda ett mer modernt styrsystem och det är energibesparing. Gemensamt för de fem studerade värmestyrsystemen av Persson och Vogel (2011) och NODAs värmestyrsystem är att den genomsnittliga inomhustemperaturen kan sänkas. Detta eftersom det behövs en lägre säkerhetsmarginal mot den lägsta tillåtna inomhustemperaturen. Enligt Johansson1 är det
möjligt att minska säkerhetsmarginalen eftersom styrsystemet har en bättre övervakning av hur inomhusklimatet i byggnaden verkligen är jämfört med ett traditionellt styrsystem. Förutom detta handlar det även om att ha algoritmer som ”lär” sig mönstret för inomhustemperaturen och som sedan baserat på detta kontinuerligt kan styra mot rätt temperatur enligt Johansson1. Till detta tillkommer även smartare
styrning av det som händer i själva fjärrvärmecentralen vad gäller momentana effektuttag vilket inte slår igenom på inomhustemperaturen men som påverkar energikostnaden. Sen har man även väderprognoser och annat som tillägg för att ytterligare kunna optimera driften av värmesystemet. Allt detta tillsammans är det som gör det möjligt till en lägre energiförbrukning i byggnaderna.
Ett traditionellt styrsystem behöver dimensioneras för det värsta utomhusvädret för varje grad utomhustemperatur och behöver därmed en stor säkerhetsmarginal till den minsta tillåtna inomhustemperaturen menar Hermansson2. Hermansson2 och Johansson1 menar också att traditionella
styrsystem har termostater på radiatorerna, vilka är till för att sänka inomhustemperaturen ifall den blir för hög, men att de inte är lika känsliga och noggranna som ett modernt styrsystem vilket leder till att blir lätt blir en onödigt hög inomhustemperatur. Jämför till exempel en molnig dag med 50C utomhus och en solig
dag där det också 50C utomhus. Den dag med solsken har byggnaden ett lägre värmebehov eftersom solen
värmer upp byggnaden. En sådan dag skulle alltså ett modernare styrsystem kunna dra ner på värmetillförseln med en större noggrannhet än ett traditionellt system. I Figur 3.4 visas ett exempel på hur inomhustemperaturen och säkerhetsmarginalen skulle kunna skilja sig mellan ett traditionellt system och ett modernare styrsystem. I det traditionella styrsystemet fås en onödigt hög inomhustemperatur på soliga dagar jämfört med det moderna styrsystemet. Det betyder att genomsnittstemperaturen för en byggnad kan sänkas med ett modernt styrsystem. Under en längre tidsperiod är en byggnads värmeförluster direkt proportionella mot temperaturskillnaden inne och ute (Isfält & Bröms, 1992) vilket leder till att energi därmed kan sparas ifall genomsnittstemperaturen i byggnaden sänks. Den energibesparing som kan göras med dessa tekniker ligger mellan 2–13 % för de fem studerade systemen av Persson och Vogel (2011) och 7,5 % för NODAs system (Johansson, 2010).
1 Christian Johansson, CTO, NODA intelligent systems AB, e-post den 18 januari 2014. 2 Jan Hermansson, drifttekniker, Riksbyggen, telefonsamtal den 5 september 2013.
14
Figur 3.4 – Schematiskt bild på möjlig energibesparing en dag när solen värmer upp byggnaden
3.3.4 Nya energitjänster när nytt värmestyrsystem installeras
Att erbjuda energitjänster till kunder kan bli en viktig affärsidé i framtiden, då kan fjärrvärmeföretag utöka sin fjärrvärmeaffär och få nya intäktsvägar (Rydén et al., 2013). Det finns många typer av energitjänster och några som nämns av Rydén et al. (2013) är energieffektivisering, servicetjänster (t.ex. underhåll av fjärrvärmecentraler) och komfortavtal (säljer ett visst inomhusklimat istället för energi). Förutom att kunna använda en byggnad som värmelager samt möjlighet till energibesparing finns det ytterligare en fördel med att installera ett nytt värmestyrsystem och det är tillgång till ny information. NODAs system har till exempel en teknikplattform som gör det möjligt att samla in stora mängder data, som genom smart analys kan generera värdefull information till kunden. Vinsterna från energitjänstförsäljningen täcker många gånger kostnaden för underhållet av det nya värmestyrsystemet enligt Johansson1.
3.4 Operativt använda byggnader som värmelager
Den grundläggande tanken med att använda byggnader som värmelager är att kunna optimera produktionen. För att byggnader ska vara effektiva som värmelager behöver de laddas och laddas ur med värme när det är optimalt för fjärrvärmeproducenten. Styrning av byggnaders värmebehov har sedan länge diskuterats och på 1980-talet gjordes även tester av Birka energi enligt Johansson1. Testerna utfördes
genom att på fasta tidpunkter på dagen dra ner effekten i ett antal byggnader i fjärrvärmesystemet. Problemet med att använda fasta tidpunkter är att fjärrvärmeproduktionen inte behöver en effektsänkning på samma tid varje dag. Detta statiska sätt att använda byggnader som värmelager är betydligt mer suboptimalt än ett system som är dynamiskt där effektsänkningarna sker i byggnaderna när fjärrvärmeproduktionen behöver det. Ett exempel på teknik som använt den dynamiska styrtekniken finns beskrivet i 3.4.1 vilket Johansson (2010) testat i verkligheten med lyckade resultat. Även flera kommersiella projekt har genomförts med samma teknik med lyckade resultat enligt Johansson1. Denna styrning av
laddning och urladdning kan göras både direkt och indirekt (Wernstedt & Johansson, 2009). Med direkt styrning menas att fjärrvärmeproducenten själv kan styra användningen av fjärrvärmen ute hos kunderna. Indirekta tekniker syftar till att fjärrvärmeproducenten skapar incitament för kunden att använda fjärrvärme på ett sådant sätt som är bra för fjärrvärmeproducenten.
15
3.4.1 Teknik för systemstyrning
Nedan förklaras tekniken som NODA använder för sin systemstyrning vilket står beskrivet i Johansson (2010). Systemet kan användas både till direkt eller indirekt styrning. Systemet kan enklast förklaras med hjälp av Figur 3.5. Systemet består av tre olika lager och av pedagogiska skäl förklaras de olika lagren i följande ordning: Operationellt lager, strategiskt lager, heuristiskt lager.
Figur 3.5 – Schematisk bild av hur direkt styrning kan fungera (Johansson, 2010)
Operationellt lager
I denna del samlas alla konsumenterna (fjärrvärmecentraler) i fjärrvärmesystemet, kallade ”konsumentagenter”. Varje konsuments inomhustemperatur mäts med en sensor och här finns det även beskrivet vilken temperatur som konsumenten helst vill ha samt vilken temperatur som är den lägsta acceptabla. I denna konsumentagent finns även en matematisk modell som beskriver just hur byggnaden beter sig termodynamiskt. Konsumentagenten kan då tillsammans med inomhustemperaturgivarna beräkna hur mycket tid som finns kvar i byggnaden innan uppvärmning krävs och omvandlar det till en kostnad. Ju mindre tid det finns kvar, alltså ju närmre den acceptabla minimumtemperaturen, desto högre kostnad för konsumentagenten att acceptera en effektsänkning. Det kan även vara värt att poängtera att dessa konsumentagenter är fristående från de övriga systemet och inte tänker på ”det bästa för fjärrvärmeproduktionen” utan tänker bara på sin egen byggnad och att uppfylla de mål som är ställda på den, till exempel minimumtemperatur.
Strategiskt lager
I det strategiska lagret finns producenterna, kallade ”producentagenter”. I fjärrvärmeproduktionen finns flera olika anläggningar och varje anläggning blir en producentagent. Dessa producentagenter samarbetar gemensamt för att uppnå en optimal produktion till exempel genom att försöka undvika att sätta på topplastpannor. När systemet märker att en topplastpanna är på väg att slås på skickar den en förfrågan till konsumentagenterna, via klusteragenterna (förklaras nedan) om att minska sin efterfrågan.
16
Heuristiskt lager
Eftersom ett fjärrvärmesystem består av väldigt många kunder blir det även många konsumentagenter. Ju fler agenter det blir desto mer datorkraft behövs det för att optimera ett system och till slut blir det så komplext att det är nästintill omöjligt att optimera systemet. Det har lösts genom att systemet grupperar ihop flera olika konsumentagenter i kluster och kallar dessa kluster för ”klusteragenter”. Som syns i Figur 3.5 är klusteragenterna en kommunikationsbas mellan konsumentagenter och producentagenter, på samma sätt som en börsmäklare som förmedlar transaktioner mellan köpare och säljare på en börs. Vad som sker är att producentagenterna skickar en förfrågan till klusteragenterna om att sänka effektefterfrågan. Klusteragenterna skickar i sin tur förfrågan till konsumentagenterna som då räknar ut sina kostnader för en sådan sänkning och skickar tillbaka det till klusteragenterna. Det klustret som har det lägsta priset för att sänka effektefterfrågan vinner då ordern och utför sänkningen. Det är alltså inte alla individuella byggnader som har lägst kostnad som sänker sin effektefterfrågan, utan det är det klustret som har totalt lägst kostnad som gör det. Det gör systemet lättare att optimera och det behövs mindre datorkraft.
3.4.2 Operativ skillnad mellan värmelagring i byggnad och i
ackumulatortank
Att operativt använda byggnaderna som värmelager i ett fjärrvärmenät är inte samma sak som att använda en ackumulatortank som ett värmelager. Ackumulatortanken kompletterar produktionen genom att den lagrade värmeenergin tillförs systemet på produktionssidan och ökar därmed den totala värmeenergin som finns tillgänglig i systemet. Användningen av byggnader som värmelager tillförs systemet ingen ytterligare värmeenergi utan istället drar byggnaderna ner efterfrågan på värme och använder den redan lagrade energin i byggnaden. Med en ackumulatortank är det alltså produktionssidan som ändras medan det är efterfrågesidan som ändras vid användningen av byggnader som värmelager.
3.5 Vilka byggnader är lämpade att använda som värmelager?
I Ekvation 3.1 syns det att ju större massa någonting har desto större värmelagringskapacitet är tillgänglig. Det är en fördel när byggnader ska användas som värmelager eftersom det då behövs en lägre investeringskostnad för samma värmelagringskapacitet. En byggnad med större massa har en lägre temperaturvariation än en byggnad med mindre massa (Isfält & Bröms, 1992) vilket också kan vara en fördel när byggnaden ska användas som värmelager eftersom inomhustemperaturen då inte får lika snabba svängningar på grund av den större värmetrögheten som finns i en byggnad med större massa. Enligt Johansson1 är villor inte intressanta byggnader eftersom de har ett för litet effektuttag samt en för liten
värmelagringskapacitet för att vara ekonomiskt intressanta att använda som värmelager. Byggnader som lämpar sig betydligt bättre är byggnader med en större massa till exempel flerfamiljsbostadshus menar Johansson1.
Ytterligare en möjlighet är att rikta in sig på byggnader som har dåliga värmestyrsystemen. Det blir då en större nytta eftersom byggnaderna kan då användas både värmelager och samtidigt finns det en möjlighet att göra energibesparingar i byggnaderna ifall det nya värmestyrsystemet är effektivare än det gamla.
17
4 Intressenterna och deras intressen
4.1 Vilka är intressenterna?
En intressent är en part som är engagerad och ekonomiskt intresserad i en viss verksamhet eller visst företag (Nationalencyklopedin, 2014). Enligt Rydén et al. (2013) har fjärrvärmeproducenten åtta intressenter vilka är beskrivna i Figur 4.1. Examensarbetet koncentrerar sig på de tre intressenterna fjärrvärmeföretag, kunder till fjärrvärmeföretag (kallad kund) samt de människorna som vistas i byggnaderna uppvärmda av fjärrvärme (kallad konsument). Fjärrvärmeföretagens kunder och konsumenter är ibland samma person men så är inte alltid fallet. Till exempel när en villa värms upp är fjärrvärmekunden villaägaren och personen som vistas i villan den samma. Men ifall det är ett hyreshus som värms upp är fjärrvärmeföretagets kund fastighetsägaren och personen som vistas i byggnaden, hyresgästen, en annan. I Figur 4.2 ses detta schematiskt.
Figur 4.1 – Fjärrvärmens intressenter (Rydén et al., 2013)
.
